嵌入式存儲(chǔ)系統(tǒng)DPM策略研究.pdf

1、隨著市場(chǎng)對(duì)移動(dòng)計(jì)算與存儲(chǔ)需求的大規(guī)模增長(zhǎng)，構(gòu)建于嵌入式系統(tǒng)之上的各類電子與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)越來(lái)越多，功能與結(jié)構(gòu)的日益復(fù)雜也使得系統(tǒng)的功耗不斷增長(zhǎng)。相當(dāng)多的嵌入式系統(tǒng)采用電池供電，降低功耗可以延長(zhǎng)一次充電后電池的使用時(shí)間，提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力。不僅如此，降低芯片封裝與冷卻費(fèi)用、提高系統(tǒng)穩(wěn)定性與減小能耗對(duì)環(huán)境影響的考慮也使降低系統(tǒng)功耗成為越來(lái)越突出的需求。存儲(chǔ)系統(tǒng)是嵌入式系統(tǒng)中的重要組成部分，一般按照層次化的結(jié)構(gòu)進(jìn)行組織。研究表明，嵌入式存儲(chǔ)系統(tǒng)中的主

2、存與非易失性存儲(chǔ)部件在系統(tǒng)中的功耗比例較大，超過(guò)了處理器的功耗。因此，降低存儲(chǔ)系統(tǒng)的功耗成為降低系統(tǒng)功耗的重要環(huán)節(jié)。 動(dòng)態(tài)功耗管理(DPM)是一種系統(tǒng)級(jí)功耗優(yōu)化技術(shù)，通過(guò)觀察負(fù)載情況來(lái)有選擇性的將系統(tǒng)或部件設(shè)置為低功耗模式以降低功耗。DPM策略的作用對(duì)象為功耗可控部件(PMC)，本論文以存儲(chǔ)系統(tǒng)中的PMC為對(duì)象，開(kāi)展適用于不同軟硬件資源條件的DPM研究，并通過(guò)基于事件驅(qū)動(dòng)的仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)策略效果進(jìn)行評(píng)估。 傳統(tǒng)DPM策略直接

3、面向PMC，主存資源開(kāi)銷較小，適用于資源受限的嵌入式存儲(chǔ)系統(tǒng)。預(yù)測(cè)性DPM策略在傳統(tǒng)策略中具有實(shí)用性與節(jié)能效果的較好平衡。論文提出適用于DPM預(yù)測(cè)性策略的模塊化結(jié)構(gòu)，提高了策略的通用性與實(shí)施的靈活性，并在該結(jié)構(gòu)中首次引入功耗反饋機(jī)制，使預(yù)測(cè)性策略在節(jié)能目標(biāo)的指引下具有更好的自適應(yīng)性。嵌入式存儲(chǔ)系統(tǒng)中的部件空閑時(shí)間常呈現(xiàn)隨機(jī)特性，并不符合現(xiàn)有DPM預(yù)測(cè)性策略基于空閑時(shí)間關(guān)聯(lián)性進(jìn)行預(yù)測(cè)的條件。本論文據(jù)此提出基于能耗期望(EEB)的預(yù)測(cè)性策略

4、。EEB根據(jù)空閑時(shí)間分布確定獲得最小能耗期望的空閑模式，并在PMC空閑時(shí)使其進(jìn)入該模式。在空閑時(shí)間非穩(wěn)態(tài)分布下，采用滑動(dòng)窗口法對(duì)能耗期望進(jìn)行動(dòng)態(tài)估計(jì)，使EEB在非穩(wěn)態(tài)環(huán)境下也具有較好的節(jié)能效果。 在主存資源較為豐富的嵌入式系統(tǒng)中，利用數(shù)據(jù)緩沖區(qū)實(shí)現(xiàn)請(qǐng)求集中從而延長(zhǎng)PMC的空閑時(shí)間可獲得比傳統(tǒng)策略更好的節(jié)能效果，稱為面向?qū)哟位鎯?chǔ)的DPM策略。此類研究中，基于FIFO數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的策略未考慮嵌入式多任務(wù)環(huán)境下數(shù)據(jù)交替與重復(fù)訪問(wèn)的特性

5、，造成PMC的大量無(wú)效讀取。本論文據(jù)此提出基于緩沖區(qū)動(dòng)態(tài)分組(DGDB)的功耗管理策略。DGDB將數(shù)據(jù)緩沖區(qū)劃分為塊，在運(yùn)行時(shí)以塊為單位對(duì)緩沖區(qū)進(jìn)行分組，使各任務(wù)在不同分組中保留各自的預(yù)讀內(nèi)容，從而避免數(shù)據(jù)無(wú)效更替。當(dāng)所需數(shù)據(jù)缺失時(shí)，DGDB進(jìn)行具有節(jié)能意識(shí)的預(yù)讀，并引入緩沖區(qū)塊替換算法使數(shù)據(jù)得以重用，減少對(duì)存儲(chǔ)部件的訪問(wèn)，從而帶來(lái)更長(zhǎng)的空閑時(shí)間。在此基礎(chǔ)上提出基于任務(wù)信息(TIB)的層次化存儲(chǔ)DPM策略。TIB策略對(duì)任務(wù)的數(shù)據(jù)訪問(wèn)模式

6、進(jìn)一步細(xì)分，通過(guò)修改存儲(chǔ)訪問(wèn)接口獲知任務(wù)數(shù)據(jù)訪問(wèn)的模式，根據(jù)不同模式?jīng)Q定預(yù)讀與替換算法，使策略具有更好的節(jié)能意識(shí)。 本文設(shè)計(jì)了基于事件驅(qū)動(dòng)的DPM系統(tǒng)軟件仿真，通過(guò)事件模擬出操作請(qǐng)求和系統(tǒng)信息，觸發(fā)各部件模擬器的執(zhí)行。根據(jù)對(duì)實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的分析提取功耗和狀態(tài)模型的參數(shù)，準(zhǔn)確模擬了微硬盤(pán)功耗和狀態(tài)的變化，經(jīng)過(guò)模型檢驗(yàn)，功耗仿真結(jié)果的最大相對(duì)誤差約為6.5％?；诖说姆抡鎸?shí)驗(yàn)表明，本文提出的預(yù)測(cè)性DPM策略在隨機(jī)環(huán)境下具有比傳統(tǒng)預(yù)測(cè)性